兰州大学研究团队揭示青藏高原融冰期热融湖塘甲烷释放过程

摘要：多年冻土广泛分布于高纬度与高海拔区域，约占北半球陆地总面积的 22%，是全球陆地生态系统的重要组成部分。多年冻土区碳储量约占全球土壤碳库的50%，是陆地生态系统最大的碳库。全球升温背景下多年冻土退化加剧，导致封存的有机碳被分解释放，威胁碳中和目标的实现，加速全

多年冻土广泛分布于高纬度与高海拔区域，约占北半球陆地总面积的 22%，是全球陆地生态系统的重要组成部分。多年冻土区碳储量约占全球土壤碳库的50%，是陆地生态系统最大的碳库。全球升温背景下多年冻土退化加剧，导致封存的有机碳被分解释放，威胁碳中和目标的实现，加速全球变暖。热融湖塘是多年冻土退化典型的热喀斯特地貌类型之一，是甲烷排放的重要来源，在全球碳循环与气候变化中发挥着重要作用。然而，由于多年冻土区热融湖塘甲烷排放监测数据有限，尤其湖冰融化过程观测匮乏，极大阻碍了多年冻土碳释放及其对气侯反馈的准确评估。

近日，兰州大学资源环境学院牟翠翠教授团队在评估热融湖塘甲烷释放过程取得重要进展。成果以“青藏高原热融湖塘的甲烷释放必须重视融冰期的影响”（Methane emissions from thermokarst lakes must emphasize the ice-melting impact on the Tibetan Plateau）为题在国际知名期刊《Nature Communications）》上在线发表。兰州大学资源环境学院牟翠翠教授为论文第一和通讯作者，博士生研究生雷鹏嗣、母梅、张春玲等参与了研究。此项研究得到中国科学院植物研究所、四川大学、北京大学、北京师范大学、中国科学院青藏研究所等单位的支持，受到国家重点研发计划（2024YFF0810900）、国家自然科学基金（42371132）等资助。

研究团队于2019-2023年在青藏高原多年冻土区开展了系统的监测工作。结果表明，冰封期水体中溶解的甲烷浓度显著高于无冰期（中位数分别为2.61 μmol/L和 0.88 μmol/L），同一湖塘的甲烷浓度甚至比无冰期可高出近百倍，这源于冰下厌氧环境及冰层的阻隔，促使甲烷持续生成并累积。不同植被类型下冰封期与无冰期热融湖塘水体中溶解的甲烷浓度呈正相关，且与流域内有机碳含量紧密相关。基于连续观测数据，量化了青藏高原热融湖塘甲烷释放的季节变化，融冰期甲烷释放量占全年总量的17.1%（其中水体与冰泡分别贡献12.1%和5.0%）（图1）。尽管热融湖塘仅占青藏高原多年冻土区的0.2%，但其甲烷年释放总量高达65.5 ± 10.0 Gg C，该成果为评估多年冻土碳-气候反馈提供了重要数据支撑。

图1 青藏高原热融湖塘甲烷释放过程示意图

本研究利用机器学习方法，综合考虑气候、地形、水文、土壤、冻土和人类活动等因素，揭示了未来气候变化情景下青藏高原热融湖塘扩张速率。至2100年，SSP1-2.6、SSP2-4.5和SSP5-8.5情景下热融湖塘面积分别增大至3912 km2（+85.9%）、3926 km2（+86.5%）和4102 km2（+94.9%）。耦合湖塘面积扩张和湖冰消融的双重影响，未来热融湖塘甲烷排放呈现显著增加趋势，到2100年青藏高原热融湖塘甲烷释放总量将增加1.0-1.2倍，增至135.5-143.8 Gg C yr-1（图2）。该研究系统阐明了高海拔多年冻土区热融湖塘扩张诱发的甲烷反馈机制，为理解气候变暖影响下地表系统反馈提供了重要理论支撑。

研究表明，现有多年冻土区热融湖塘甲烷估算未充分考虑湖冰下水中溶解甲烷浓度的垂向差异，且缺乏针对小型湖塘的湖冰物候以及植物演替动态的监测，未来研究亟需加强热融湖塘甲烷动态与湖冰物候和植被的综合监测，构建冻土生态-水文耦合模型，以提升未来升温影响下多年冻土退化对甲烷释放影响的评估能力。